項目1 印制電路板認識與制作

知識與能力目標

1）認識印制電路板。

2）了解印制電路板的種類。

3）掌握熱轉印方式制作印制電路板。

任務1.1 了解印制電路板

圖1-1為一塊計算機主板的實物圖，從圖上可以看到電阻、電容、電感、二極管、晶體管、集成電路等元器件及PCB走線、焊盤、金屬化孔、接插件等。這種上面設計有走線、焊盤、金屬化孔等用于安裝元器件、接插件等的板子即為印制電路板。

圖1-1 計算機主板的實物圖

印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）也稱為印制線路板，簡稱為印制板，是指以絕緣基板為基礎材料加工成一定尺寸的板，在其上面至少有一個導電圖形及所有設計好的孔（如元器件孔、機械安裝孔及金屬化孔等），以實現元器件之間的電氣互連。

在實際電路設計中，最終需要將電路中的實際元器件安裝在印制電路板上。原理圖的設計解決了電路中元器件的邏輯連接，而元器件之間的物理連接則是靠PCB上的銅箔實現。

隨著中、大規模集成電路出現，元器件安裝朝著自動化、高密度方向發展，對印制電路板導電圖形的布線密度、導線精度和可靠性要求越來越高。與此相適應，為了滿足對印制電路板數量和質量上的要求，印制電路板的生產也越來越專業化、標準化、機械化和自動化，如今已在電子工業領域中形成一門新興的印制電路板制造工業。

1.1.1 印制電路板的發展

印制電路板的發展已有100多年的歷史，它的設計主要是版圖設計。采用電路板的主要優點是大大減少布線和裝配的差錯，提高了自動化水平和生產效率。

在19世紀，由于不存在復雜的電子裝置和電氣機械，只是大量需要無源元器件，如電阻、線圈等，因此沒有大量生產印制電路板的問題。

20世紀初，人們為了簡化電子裝置的制作，減少電子元器件間的配線，降低制作成本，開始研究以印刷的方式取代配線的方法。幾十年間，不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年，Charles Ducas在絕緣的基板上印刷出線路圖案，再以電鍍的方式，成功建立導體作配線。

經過幾十年的實踐，直至1936年，Paul Eisler博士及其助手第一個采用印制電路板制造整機——收音機，并率先提出印制電路板概念，奠定了光蝕刻工藝的基礎。

隨著電子元器件的出現和發展，特別是1948年出現晶體管，電子設備大量增加并趨向復雜化，印制電路板的發展進入一個新階段。

20世紀50年代中期，大面積的高粘合強度覆銅板的研制，為大量生產印制板提供了材料基礎，實現了單面印制板的工業化大生產。1954年，美國通用電氣公司采用了圖形電鍍-蝕刻法制板。

20世紀60年代，印制板得到廣泛應用，并日益成為電子設備中必不可少的重要部件。在生產上除大量采用絲網漏印法和圖形電鍍-蝕刻法（即減成法）等工藝外，還應用了加成法工藝，使印制導線密度更高，實現了孔金屬化雙面印制板的規模化生產。

20世紀70年代，多層印制電路板得到迅速發展，并不斷向高精度、高密度、細線小孔、高可靠性、低成本和自動化連續生產方向發展。

20世紀80年代，表面安裝（SMT）印制板逐漸替代通孔式印制電路板成為生產主流。

20世紀90年代，表面安裝從四邊扁平封裝（QFP）向球柵陣列封裝（BGA）發展。

進入21世紀以來，高密度的BGA、芯片級封裝以及有機層壓板材料為基板的多芯片模塊封裝印制板得到迅猛發展。

我國在20世紀50年代中期試制出單面板和雙面板；20世紀60年代中期，試制出金屬化雙面印制板和多層板樣品；70年代開始采用圖形電鍍-蝕刻法工藝制造印制板，試制出加成法材料——覆鋁箔板，并采用半加成法生產印制板；20世紀80年代初研制出撓性印制電路板和金屬芯印制板，并從國外引進了先進水平的單面、雙面、多層印制電路板生產線，提高了我國印制板的生產技術水平。

在電子設備中，印制電路板通常起3個作用。

（1）為電路中的各種元器件提供必要的機械支撐。

（2）提供電路的電氣連接。

（3）用標記符號將板上所安裝的各個元器件標注出來，便于插裝、檢查及調試。

但是，更為重要的是，使用印制電路板有4大優點。

（1）具有重復性。一旦電路板的布線經過驗證，就不必再為制成的每一塊板上的互連是否正確而逐個進行檢驗，所有板的連線與樣板一致，這種方法適合于大規模工業化生產。

（2）板的可預測性。通常，設計師按照“最壞情況”的設計原則來設計印制導線的長、寬、間距以及選擇印制板的材料，以保證最終產品能通過試驗條件。雖然此法不一定能準確地反映印制板及元器件使用的潛力，但可以保證最終產品測試的廢品率很低，而且大大地簡化了印制板的設計。

（3）所有信號都可以沿導線任一點直接進行測試，不會因導線接觸引起短路。

（4）印制板的焊點可以在一次焊接過程中將大部分焊完。

現代焊接方法主要有浸焊、波峰焊和回流焊接技術，前兩者適用于通孔式元器件的焊接，后者適用于表面貼片式元器件（SMD元器件）的焊接。現代焊接方法可以保證高速、高質量地完成焊接工作，減少了虛焊、漏焊，從而降低了電子設備的故障率。

正因為印制板有以上特點，所以從它面世的那天起，就得到了廣泛的應用和發展，現代印制板已經朝著多層、精細線條的方向發展，特別是20世紀80年代開始推廣的SMD（表面封裝）技術是高精度印制板技術與VLSI（超大規模集成電路）技術的緊密結合，大大提高了系統安裝密度與系統的可靠性。

1.1.2 認識印制電路板

印制電路板幾乎會出現在每一種電子設備當中，在其上安裝有各種元器件，通過印制導線、焊盤及過孔等進行線路連接，為了便于讀識，板上還印制了絲網圖，用于元器件標識和說明。

1.認識PCB上的元器件

如圖1-2所示，PCB上的元器件主要有兩大類，一類是通孔式元器件，通常這種元器件體積較大，且電路板上必須鉆孔才能插裝；另一類是表面貼片式元器件（SMD），這種元器件不必鉆孔，利用鋼模將半熔狀錫膏倒入電路板上，再把SMD元器件放上去，通過回流焊將元器件焊接在電路板上。

圖1-2 PCB上的元器件

a）通孔式元器件 b） SMD元器件

2.認識PCB上的印制導線、過孔和焊盤

PCB上的印制導線也稱為銅膜線，用于印制板上的線路連接，通常印制導線是兩個焊盤（或過孔）間的連線，而大部分的焊盤就是元器件的引腳，當無法順利連接兩個焊盤時，往往通過跳線或過孔實現連接。過孔（也稱為金屬化孔）用于連接不同層之間的印制導線。

圖1-3為印制導線的走線圖，圖中所示為雙面板，一般采用垂直布線法，一層水平走線，另一層垂直走線，兩層之間印制導線通過過孔連接。

3.認識PCB上的阻焊與助焊

對于一個批量生產的電路板而言，通常在印制板上敷設一層阻焊，阻焊劑一般是綠色或棕色，所以成品PCB一般為綠色或棕色，這實際上是阻焊漆的顏色。

在PCB上，除了要焊接的地方外，其他地方根據PCB設計軟件所產生的阻焊圖來覆蓋一層阻焊劑，這樣可以快速焊接，并防止焊錫溢出引起短路；而對于要焊接的地方，通常是焊盤，則要涂上助焊劑，以便于焊接，如圖1-4所示。

圖1-3 PCB上的印制導線、過孔和焊盤

圖1-4 PCB上的阻焊和助焊

4.認識PCB上的絲網

為了讓印制電路板更具有可讀性，便于安裝與維修，一般在PCB上要印一些文字或圖案，如圖1-5中的R24、Q11等所示。用于標示元器件的位置或進行說明電路的，通常稱為絲網在頂層的稱為頂層絲網層（TopOverlay），而在底層的則稱為底層絲網層（Bottom Overlay）。

圖1-5 PCB上的絲網

絲網一般印刷在阻焊層之上。

5.認識PCB中的金手指

在PCB設計中有時需要把兩塊PCB相互連接，一般會用到俗稱“金手指”的接口。

“金手指”由眾多金黃色的導電觸片組成，因其表面鍍金而且導電觸片排列如手指狀，所以稱為“金手指”。“金手指”實際上是在覆銅板上通過特殊工藝再覆上一層金，因為金的抗氧化性極強，而且導電性也很強。不過因為金昂貴的價格，目前較多采用鍍錫來代替。

“金手指”在使用時必須有對應的插槽，通常連接時，將一塊PCB上的“金手指”插進另一塊PCB的插槽上。在計算機中，獨立顯卡、獨立聲卡、獨立網卡或其他類似的界面卡，都是通過“金手指”與主板相連的。

圖1-6所示為顯卡的“金手指”和計算機主板上的插槽。

圖1-6 “金手指”與插槽

a）“金手指” b）插槽

1.1.3 印制電路板的種類

目前常見的印制電路板一般以銅箔覆蓋在絕緣板（基板）上，故通常將其稱為覆銅板。

1.根據PCB導電板層劃分

（1）單面印制板（Single Sided Print Board）。單面印制板指僅一面有導電圖形的印制板，其上元器件集中在其中一面，印制導線則集中在另一面上，板的厚度一般為0.2～5.0mm，它是在一面敷有銅箔的絕緣基板上，通過印制和腐蝕的方法在基板上形成印制電路，如圖1-7所示。它適用于一般要求的電子設備，如收音機、電視機等。

（2）雙面印制板（Double Sided Print Board）。雙面印制板指兩面都有導電圖形的印制板，板的厚度為0.2～5.0mm，它是在兩面敷有銅箔的絕緣基板上，通過印制和蝕刻的方法在基板上形成印制電路，兩面的電氣互連通過金屬化孔實現，如圖1-8所示。它適用于要求較高的電子設備，如計算機、通信設備和電子儀表等，由于雙面印制板的布線密度較高，所以能減小設備的體積。

圖1-7 單面印制板樣圖

圖1-8 雙面印制板樣圖

（3）多層印制板（Multilayer Print Board）。多層印制板是由交替的導電圖形層及絕緣材料層層壓粘合而成的一塊印制板，導電圖形的層數在兩層以上，層間電氣互連通過金屬化孔實現。多層印制板的連接線短而直，便于屏蔽，但印制板的工藝復雜，由于使用金屬化孔，可靠性下降。多層印制板的層數并不代表有幾層獨立的布線層，在特殊情況下會加入空層來控制板的厚度，通常層數都是偶數。它常用于計算機的板卡中，如圖1-9和圖1-10所示。

圖1-9 多層印制板樣圖

圖1-10 多層印制板示意圖

對于電路板的制作而言，板的層數越多，制作程序就越多，廢品率當然會增加，成本也相對提高，所以只有在高級的電路中才會使用多層板。市面上所謂的四層板，就是頂層、底層，中間再加上兩個電源板層，技術已經很成熟；而六層板就是四層板再加上兩層布線板層，只有在高級的主機板或布線密度較高的場合才會用到；至于八層板以上，制作就比較復雜。圖1-11所示為四層板剖面圖。通常在電路板上，元器件放在頂層，所以一般頂層也稱為元器件面，而底層一般是焊接用的，所以又稱為焊接面。

圖1-11 四層板剖面圖

對于SMD元器件，頂層和底層都可以放元器件。圖1-11中的通孔式元器件通常體積較大，且電路板上必須鉆孔才能插裝；SMD元器件是表面貼裝的，體積小，不必鉆孔，通過回流焊將元器件焊接在電路板上。SMD元器件是目前商品化電路板的主要元器件，但這種技術需要依靠機器，采用手工插置、焊接元器件比較困難。

在多層板中，為減小信號線之間的相互干擾，通常將中間的一些層面都布上電源或地線，所以通常將多層板的板層按信號的不同分為信號層（Singal）、電源層（Power）和地線層（Ground）。

2.根據PCB所用基板材料劃分

（1）剛性印制板（Rigid Print Board）。剛性印制板是指以剛性基材制成的PCB，常見的PCB^一般都是剛性PCB，如計算機中的板卡、家用電器中的印制板等，如圖1-7～圖1-9所示。常用剛性PCB有以下幾類。

1）紙基板：價格低廉、性能較差，一般用于低頻電路和要求不高的場合。

2）玻璃布板：價格較貴、性能較好，常用做高頻電路和高檔家用電器產品中。

3）合成纖維板：價格較貴、性能較好，常用做高頻電路和高檔家用電器產品中。

4）當頻率高于數百兆赫時，必須用介電常數和介質損耗更小的材料，如聚四氟乙烯和高頻陶瓷做基板。

（2）撓性印制板（Flexible Print Board）。撓性印制板也稱為柔性印制板、軟印制板，是以聚四氟乙烯、聚酯等軟性絕緣材料為基材的PCB。由于它能進行折疊、彎曲和卷繞，在三維空間里可實現立體布線，它的體積小、重量輕、裝配方便，容易按照電路要求成形，提高了裝配密度和板面利用率，因此可以節約60%～90%的空間，為電子產品小型化、薄型化創造了條件，如圖1-12所示。它在筆記本或計算機、手機、打印機、自動化儀表及通信設備中得到廣泛應用。

（3）剛-撓性印制板（Flex-rigid Print Board）。剛-撓性印制電路板指利用軟性基材，并在不同區域與剛性基材結合制成的PCB，如圖1-13所示。它主要應用于印制電路的接口部分。

圖1-12 撓性印制板樣圖

圖1-13 剛-撓性印制板樣圖

任務1.2 了解印制電路板的生產制作

制作印制電路板最初的一道基本工序是將底圖或照相底片上的圖形，轉印到覆銅箔層壓板上。最簡單的一種方法是印制-蝕刻法，或稱為銅箔腐蝕法，即用防護性抗蝕材料在敷銅箔層壓板上形成正性的圖形，那些沒有被抗蝕材料防護起來的不需要的銅箔隨后經化學蝕刻而被去掉，蝕刻后將抗蝕層除去就留下由銅箔構成的所需圖形。

1.2.1 印制電路板制作生產工藝流程

一般印制電路板的制作要經過CAD輔助設計、照相底板制作、圖像轉移、化學鍍、電鍍、蝕刻和機械加工等過程，圖1-14為雙面板圖形電鍍-蝕刻法的工藝流程圖。

單面印制電路板一般采用酚醛紙基覆銅箔板制作，也常采用環氧紙基或環氧玻璃布覆銅箔板，單面板圖形比較簡單，一般采用絲網漏印正性圖形，然后蝕刻出印制電路板，也可以采用光化學法生產。

雙面印制電路板通常采用環氧玻璃布覆銅箔板制造，雙面板的制造一般分為工藝導線法、堵孔法、掩蔽法和圖形電鍍-蝕刻法。

多層印制電路板一般采用環氧玻璃布覆銅箔層壓板。為了提高金屬化孔的可靠性，應盡量選用耐高溫的、基板尺寸穩定性好的，特別是厚度方向熱線膨脹系數較小的，并和銅鍍層熱線膨脹系數基本匹配的新型材料。制作多層印制電路板，先用銅箔蝕刻法做出內層導線圖形，然后根據設計要求，把幾張內層導線圖形重疊，放在專用的多層壓機內，經過熱壓、黏合工序，就制成了具有內層導電圖形的覆銅箔的層壓板。

目前已定型的工藝主要有以下兩種。

（1）減成法工藝。它是通過有選擇性地除去不需要的銅箔部分來獲得導電圖形的方法。減成法是印制電路板制造的主要方法，它的最大優點是工藝成熟、穩定和可靠。

圖1-14 雙面板圖形電鍍-蝕刻法的工藝流程

（2）加成法工藝。它是在未覆銅箔的層壓板基材上，有選擇地淀積導電金屬而形成導電圖形的方法。加成法工藝的優點是避免大量蝕刻銅，降低了成本；生產工序簡化，生產效率提高；鍍銅層的厚度一致，金屬化孔的可靠性提高；印制導線平整，能制造高精密度PCB。

1.2.2 采用熱轉印方式制板

熱轉印制電路板的優點是直觀、快速、方便、成功率高，采用激光打印機，需要專用的菲林紙或熱轉印紙。

熱轉印制電路板所需的主要材料有覆銅板、熱轉印紙、高溫膠帶、三氯化鐵（或工業鹽酸+雙氧水）和松香水（松香+無水酒精）；設備工具有熱轉印機、激光打印機、裁板機、高速微型鉆床、剪刀、銼刀、鑷子、細砂紙和記號筆等。

熱轉印制板的操作流程為：激光打印出圖→裁板→PCB圖熱轉印→修板→線路腐蝕→鉆孔→擦拭、清洗→涂松香水。

1.激光打印出圖

出圖一般采用激光打印機，通過設計軟件Protel 99 SE將PCB圖打印在熱轉印紙的光滑面上，如圖1-15所示。Protel 99 SE的打印功能將在后面的章節中介紹。

圖1-15 激光打印

一般在打印時，為節約熱轉印紙，可將幾個PCB圖合并到同一個文件中再一起打印，打印完畢用剪刀將每一塊電路板的圖樣剪開。

2.裁板

板材準備又稱為下料，在PCB制作前，應根據設計好的PCB圖大小來確定所需PCB板基的尺寸規格，然后根據具體需求進行裁板。

裁板機如圖1-16所示，其中包括上刀片、下刀片、壓桿、底板和定位尺。裁板時調整好定位尺，將電路板放置在刀片上，下壓壓桿進行裁板。

裁板時，為了后續貼轉印紙方便，電路板上一般要留出貼高溫膠帶的位置，一般比轉印的PCB圖長1～2cm。

3.PCB圖熱轉印

PCB圖熱轉印即通過熱轉機將熱轉印紙上的PCB圖轉印到電路板上。熱轉印的具體步驟如下所述。

（1）覆銅板表面處理。在進行熱轉印前必須先對覆銅板進行表面處理，由于加工、存儲等原因，在覆銅板的表面會形成一層氧化層或污物，將影響底圖的轉印，為此，在轉印底圖前用細砂紙打磨電路板。

圖1-16 裁板機

1—上刀片 2—下刀片 3—壓桿 4—底板 5—定位尺

（2）熱轉印紙裁剪。使用剪刀將帶底圖的熱轉印紙裁剪到略小于覆銅板大小，以便進行固定。

（3）高溫膠帶固定。通過高溫膠帶將底圖的一側固定在電路板上，如圖1-17所示。

圖1-17 貼熱轉印紙

（4）熱轉印。熱轉印是通過熱轉印機將熱轉印紙上的碳粉轉印到覆銅板上，如圖1-18所示。將熱轉印機進行預熱，當溫度達到150℃左右時，將用高溫膠帶貼好熱轉印紙的覆銅板送入熱轉印機進行轉印，注意貼高溫膠帶的一側先送入，熱轉印機的滾軸將步進轉動進行轉印。

圖1-18 熱轉印及揭熱轉印紙

熱轉印結束，熱轉印紙上的碳粉將全部轉印到覆銅板上。

4.揭熱轉印紙與板修補

熱轉印完畢，自然冷卻覆銅板。當剛好不燙手時，小心揭開熱轉印紙，此時碳粉已經轉印到覆銅板上。

揭開熱轉印紙后可能會出現部分地方沒有轉印好，此時需要進行修補，利用記號筆將沒轉印好的地方補描一下，晾干后即可進行線路腐蝕。

經驗之談

（1）要進行轉印的PCB圖需打印在熱轉印紙的光滑面上。

（2）打印機的輸出顏色應設置為黑白色（即選中“Black & White”）以保證有足夠的炭粉。

（3）粘貼用的膠帶必須使用高溫膠帶，普通膠帶在轉印中會由于高溫燒毀。

（4）熱轉印時應將貼有高溫膠帶的一側先進入熱轉印機。

5.線路腐蝕

線路腐蝕主要是通過腐蝕液將沒有碳粉覆蓋的銅箔腐蝕，而保留下碳粉覆蓋部分，即設計好的PCB銅膜線。

線路腐蝕采用雙氧水+鹽酸+水混合液，雙氧水和鹽酸的比例為3∶1，配制時必須先加水稀釋雙氧水，再混合鹽酸。由于雙氧水和鹽酸的濃度各不相同，腐蝕時可根據實際情況調整用量。這種腐蝕方法速度快，腐蝕液清澈透明，容易觀察腐蝕程度。但要注意觀察，腐蝕完畢要迅速用竹筷或鑷子將PCB撈出，再用水進行沖洗，最后烘干。

線路腐蝕也可以采用三氯化鐵溶液進行。

腐蝕后的PCB如圖1-19所示，圖中的銅膜線上覆蓋有碳粉。

圖1-19 腐蝕后的電路

6.鉆孔

鉆孔的主要目的是為了在線路板上插裝元器件，常用的手動打孔設備有高速視頻鉆床和高速微型臺鉆，如圖1-20所示。

圖1-20 鉆孔設備

a）高速視頻鉆床 b）高速微型臺鉆

鉆孔時要對準焊盤中心，鉆孔過程中要根據需要調整鉆頭的粗細。為便于鉆孔時對準焊盤中心，在打印PCB圖時，可將焊盤的孔設置為顯示狀態（Show Hole）。

7.后期處理

鉆孔后，用細砂紙將印制電路板上的碳粉擦除，然后涂上松香水，以便于后期的焊接，防止氧化。

技能實訓1 熱轉印方式制板

1.實訓目的

（1）認識常用的印制板基材及類型。

（2）認識印制電路板。

（3）掌握熱轉印制板的方法。

（4）手工制作一塊印制電路板。

2.實訓內容

（1）識別紙基板、玻璃布板和合成纖維板。

（2）認識單面板、雙面板、多層板及撓性印制板。

（3）認識印制電路板：元器件、焊盤、過孔、印制導線、阻焊、助焊和絲網等。

（4）認識制板設備：激光打印機、熱轉印機、裁板機及高速微型臺鉆等。

（5）認識制板輔材：熱轉印紙、高溫膠帶及細砂紙等。

（6）采用熱轉印方式手工制作一塊單面印制電路板。

3.思考題

（1）熱轉印的圖形應打印在熱轉印紙的光面或麻面？

（2）如何配置雙氧水+鹽酸腐蝕液？

（3）如何進行熱轉印制板？簡述步驟。

思考與練習

1.簡述印制電路板的概念與作用。

2.按導電板層劃分，印制電路板可分為哪幾種？

3.按基板材料劃分，印制電路板可分為哪幾種？

4.簡述熱轉印制電路板的步驟。

5.如何進行腐蝕液配制？